JP4763929B2

JP4763929B2 - 窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及びその焼結体を用いた回路基板

Info

Publication number: JP4763929B2
Application number: JP2001231337A
Authority: JP
Inventors: 秀朗石田; 浩二西村; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2003040675A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁破壊電圧が高く、高放熱性基板等として好適な窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及びその焼結体を用いた回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化アルミニウム基板の一方の面に銅等の金属回路、反対面には銅等の金属放熱板を形成させ、その金属回路面に半導体素子を半田付けされてなるモジュールが使用されている。このようなモジュールにおいては、半導体素子から発生した熱をいかに効率良く除去するかが重要な課題あり、その解決法の１つに窒化アルミニウム基板の熱伝導率をその理論値（約３２０Ｗ／ｍＫ）に近づけることの努力が行われている。
【０００３】
窒化アルミニウム基板の熱伝導率を高めるには、その焼結体を緻密化することが必要であり、従来よりアルカリ土類金属化合物やランタノイド元素化合物等、多くの焼結助剤が検討されている。ＣａＯ等のアルカリ土類金属化合物を使用する技術としては、特開昭５０−２３４１１号公報、特開昭６０−７１５７５号公報、特開昭６１−１００７１号公報、特開平０５−１７８６７１号公報等があり、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃を使用するものとしては、特開平０４−１５４６７０号公報があり、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を使用するものとしては、特開平０５−９０７５号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの焼結助剤を使用した場合、焼成温度は１６００〜１８００℃と高く、絶縁破壊電圧は１０ｋＶ／ｍｍ程度と小さいものであった。絶縁破壊電圧が小さくなる原因は次のように考えられる。すなわち、ＣａＯを含有する焼結助剤は粒界相に１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃結晶を生成しやすく、この１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃結晶は実際には１モルの結晶水が結合した１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・Ｈ₂Ｏ結晶として存在する。従って、結晶水を含有した粒界相であるため、絶縁破壊電圧は小さくなる。このような窒化アルミニウム焼結体を回路基板の構成部材とすると、絶縁不良を起こすという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、焼成温度が１４００〜１７００℃と低く、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上にして、絶縁破壊電圧が１５ｋＶ／ｍｍ以上であり、回路基板として好適な窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及びその焼結体を用いた回路基板を提供することである。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
すなわち、本発明は、粒界相に非晶質カルシウムアルミネートを含んでいることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。非晶質カルシウムアルミネートの化学組成が、ＣａＯ４０〜６０質量％、Ａｌ₂Ｏ₃６０〜４０質量％であることが好ましい。また、本発明は、窒化アルミニウム粉末１００質量部と非晶質カルシウムアルミネート粉末０．１〜１５質量部を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下、温度１４００℃以上で焼結した後、温度１２００℃までを２０℃／分以上の冷却速度で急冷することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法である。さらに、本発明は、上記窒化アルミニウム焼結体をセラミックス基板として用い、その表面に金属回路を形成させてなることを特徴とする回路基板である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【０００８】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粒子とその粒子間を埋める粒界相からなるものであって、窒化アルミニウム粒子の大きさは０．５〜４０μｍであることが好ましい。窒化アルミニウム焼結体における粒界相の構成割合は１〜２０質量％であることが好ましい。粒界相の構成割合は、アルカリ溶解法（分析化学，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１１３３−１１３７（１９９６）に準ずる）によって窒化アルミニウム粒子を溶解し、１０５℃で２時間乾燥後の質量から求めることができる。また、粒界相の化学組成は、ＥＰＭＡによって測定することができる。
【０００９】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、粒界相に非晶質カルシウムアルミネートを含有していることが特徴である。粒界相中の非晶質カルシウムアルミネートの構成比率は７０％（質量％、以下同じ）以上、特に８５％以上であることが好ましく、これよりも少ないと絶縁破壊電圧が十分に高まらない。
【００１０】
非晶質カルシウムアルミネートの化学組成は、ＣａＯ４０〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃６０〜４０％であることが好ましく、特にＣａＯ４５〜５５％、Ａｌ₂Ｏ₃が５５〜４５％であることが好ましい。これ以外の組成であると、粒界相のカルシウムアルミネートの非晶質化が困難となり、絶縁破壊電圧が十分に高まらなかったり、熱伝導率が低下する恐れもある。
【００１１】
非晶質カルシウムアルミネートの「非晶質」とは、粉末Ｘ線回折分析によって測定された非晶化率が８０％以上であることを意味し、特に９０％以上であることが好ましい。
【００１２】
つぎに、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。本発明は、上記した絶縁破壊電圧に優れた本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造に適用できるものである。
【００１３】
窒化アルミニウム粉末１００部（質量部、以下同じ）と非晶質カルシウムアルミネート０．１〜１５部を含む混合原料を調合する。０．１部未満であると緻密化が阻害される恐れがあり、また１５部を超えると、相対的に窒化アルミニウム粉末の割合が少なくなるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。好ましくは１〜５部である。窒化アルミニウム粉末と非晶質カルシウムアルミネート粉末の混合には、ボールミル、ロッドミル等が使用される。
【００１４】
本発明においては、混合原料に更にＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の３Ａ属元素の酸化物や硝酸塩等、具体的には酸化イットリウム、酸化サマリウム、硝酸イッテルビウム等の一般的な焼結助剤を併用することもできる。
【００１５】
本発明で使用される窒化アルニミウム粉末としては、直接窒化法、アルミナ還元法等公知の方法で製造された粉末で十分であるが、酸素含有量が２％以下、炭素量１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。酸素含有量が２％超であるか、炭素量１０００ｐｐｍ超であると、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。また、窒化アルミニウム粉末の粒度は、平均粒子径で１０μｍ以下、特に１μｍ以下がましい。平均粒子径が１０μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１６】
本発明で使用される非晶質カルシウムアルミネート粉末は、ＣａＯ、ＣａＣＯ₃、Ｃａ（ＯＨ）₂等のカルシウム原料と、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ（ＯＨ）₃、アルミナゲル等のアルミニウム原料を、ＣａＯが４３〜５７％、Ａｌ₂Ｏ₃５７〜４３％になるように混合し、１４００℃以上で加熱溶融し、１００℃／分以上の冷却速度で急冷することによって製造することができる。非晶質カルシウムアルミネートの非晶化率は８０％以上であり、好ましくは９０％以上である。非晶質カルシウムアルミネートの非晶化率が８０％未満であると、窒化アルミニウム焼結体の粒界相に１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・Ｈ₂Ｏ結晶等が生成し、絶縁破壊電圧が高まらない。カルシウムアルミネート高温溶融物の急冷方法としては、圧縮空気で吹き飛ばしたり、水中に投入することによって行われる。非晶質カルシウムアルミネートの粒度は、平均粒子径で１０μｍ以下、特に１μｍ以下がましい。平均粒子径が１０μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす。
【００１７】
混合原料は、次いで成形される。常圧焼結の場合は、ポリビニルブチラール、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、メチルセルロース、ポリエチレン、ワックス等のバインダーが加えられ、金型、静水圧プレスあるいはシート成形により成形をされる。その後、成形体を酸素ガスや空気等の気流中、３５０〜７００℃で１〜５時間加熱してバインダーを除去した後、窒化硼素製、黒鉛製又は窒化アルミニウム製等の容器にセットし、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化性雰囲気中、１４５０〜１７００℃で常圧焼結される。一方、ホットプレス焼結の場合は、上記混合原料を１４００〜１６５０℃でホットプレスする。その後、１２００℃まで、より好ましくは１０００℃まで、２０℃／分以上の冷却速度で急冷する。冷却速度が２０℃／分未満であると、粒界相の非晶質カルシウムアルミネート類が結晶化する恐れがあり、絶縁破壊電圧が向上しなくなる。急冷する方法としては、窒素ガス、アルゴンガス等の流量や、炉体を冷却する冷却水の水量を高めることによって行うことができる。
【００１８】
つぎに、本発明の回路基板について説明すると、本発明の回路基板は、従来の回路基板構造において、セラミックス基板を本発明の窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板としたものである。すなわち、本発明の回路基板は、窒化アルミニウム基板の一方の面に半導体素子搭載用の金属回路が、またその反対面には金属放熱板が形成されてなるものである。窒化アルミニウム基板の厚みとしては、放熱特性を重視する場合は０．５〜１ｍｍ程度、高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときには１〜３ｍｍ程度とする。
【００１９】
金属回路と金属放熱板の材質は、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。Ａｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりも窒化アルミニウム基板に発生するクラックを抑制することが可能となり、高信頼性回路基板となる。
【００２０】
金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の点からＡｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、金属放熱板の厚みは、半田付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌ放熱板の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ放熱板は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
窒化アルミニウム基板に金属回路と金属放熱板を形成させるには、金属板と窒化アルミニウム基板とを接合した後エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱板のパターンを窒化アルミニウム基板に接合する方法等によって行うことができる。窒化アルミニウム基板と金属回路等との接合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含むろう材を用いる活性金属ろう付け法等によって行うことができる。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例をあげて、さらに具体的に本発明を説明する。
【００２３】
実施例１
ＣａＯ：Ａｌ₂Ｏ₃の質量比が５０：５０となるように生石灰粉末とアルミナ粉末（いずれも試薬）を混合し、それを１５００℃で１時間加熱溶融し、２００℃／分の冷却速度で急冷後粉砕して非晶質カルシウムアルミネート粉末（平均粒子径０．５μｍ、非晶化率１００％）を製造した。
【００２４】
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径０．７μｍ、酸素含有量０．８％、炭素含有量２８０ｐｐｍ）１００部に対し、上記非晶質カルシウムアルミネート粉末を表１に示す割合で配合し、ボールミルで混合し混合原料を調製した。ついで、バインダー（ポリアクリレート系）を加え、混練、造粒、整粒を行い、シート状に成形してから、空気中、５００℃、２時間保持して脱脂した後、窒素ガス雰囲気中、１５５０℃、２時間の常圧焼結を行った。その後、温度１２００℃までの冷却速度を２５℃／分として急冷し、さらに室温まで徐冷して窒化アルミニウム焼結体を製造した。
【００２５】
得られた窒化アルミニウム焼結体の密度をアルキメデス法により、熱伝導率をレ−ザ−フラッシュ法で測定した。また、絶縁破壊電圧をＪＩＳＣ２１１０に準じ、絶縁油中で測定した。さらに、アルカリ溶解法により窒化アルミニウム粒子を溶解し、粒界層の非晶化率、ＣａＯ量、Ａｌ₂Ｏ₃量を測定した。なお、非晶化率は粉末Ｘ線回折法により、ＣａＯ量、Ａｌ₂Ｏ₃量はＥＰＭＡにより測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１から、非晶質カルシウムアルミネート粉末を使用することによって、熱伝導率と絶縁破壊電圧が向上し、実験番号３では熱伝導率１７４Ｗ／ｍｋ、絶縁破壊電圧３０ｋＶ／ｍｍになった。また、全ての実験番号において、粒界相は非晶質カルシウムアルミネートで構成されていた。
【００２８】
実験番号３の窒化アルミニウム焼結体を表面研削して窒化アルミニウム基板（寸法：０．６３５×５０×５０ｍｍ）とした。この窒化アルミニウム基板の表裏面に接合材（Ａｌ−９．５％Ｓｉ−１％Ｍｇ合金箔）を介してＡｌ回路形成用とＡｌ放熱板形成用のＡｌ板（厚み０．５ｍｍ、Ａｌ純度９９．９％）を重ね、黒鉛板に挟み、窒化アルミニウム基板の垂直方向から加圧しながら、真空中、５８０℃で加熱した。得られた接合体を軟Ｘ線を用い３倍に拡大して接合不良を検査したがそれは認められなかった（検出下限は直径０．３ｍｍである）。
【００２９】
ついで、表裏面それぞれのＡｌ板の周囲２ｍｍを塩化第２鉄水溶液でエッチングし、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施してモジュールとした。その一方のＡｌ面を回路面として１２．５ｍｍ角のシリコンチップを中央に共晶半田で半田付けし、その反対面を放熱板面としてＡｌ製ヒートシンクに半田付けした。この状態で、−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして３０００サイクルの熱履歴試験を実施し、膨れ、剥がれ等の外観チェックと、断面観察による半田クラックの発生の有無を調べたが、異常は認められなかった。
【００３０】
実施例２
表２に示す非晶質カルシウムアルミネートを焼結助剤とし、窒化アルミニウム粉末１００部に対し３部配合したこと以外は、実施例１と同様な試験を行った。それらの結果を表２に示す。なお、実験番号１１〜１４ではカルシウムアルミネート溶融物の冷却速度を変えて、非晶化率を６０〜９５％の非晶質カルシウムアルミネート粉末とした。
【００３１】
【表２】

【００３２】
表２から、実験番号６、１０、１１（いずれも比較例）とそれ以外の実験番号（いずれも実施例）との対比から明らかなように、非晶質カルシウムアルミネートを焼結助剤とすることによって、熱伝導率と絶縁破壊電圧が高まることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁破壊電圧が高く、高放熱性基板等として好適な窒化アルミニウム焼結体とその製造方法が提供される。また、本発明によれば、高電圧用パワーモジュール用回路基板が提供される。

Claims

粒界相に、非晶化率８０％以上で化学組成が、ＣａＯ４０〜６０質量％、Ａｌ _２Ｏ _３６０〜４０質量％であるカルシウムアルミネートを含んでいることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
窒化アルミニウム粉末１００質量部と非晶化率８０％以上化学組成が、ＣａＯ４０〜６０質量％、Ａｌ _２Ｏ _３６０〜４０質量％であるカルシウムアルミネート粉末０．１〜１５質量部を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下、温度１４００℃以上で焼結した後、温度１２００℃までを２０℃／分以上の冷却速度で急冷することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体をセラミックス基板として用い、その表面に金属回路を形成させてなることを特徴とする回路基板。